أجهزة سي سي في مفترق الطرق: تقدم سريع وسط التحديات التقنية المستمرة في صناعة أشباه الموصلات الجيل القادم
May 28, 2025
ⅰ. كربيد السيليكون (كذا)
نظرًا لخصائصها الكيميائية المستقرة ، والتوصيل الحراري العالي ، ومعامل منخفض للتوسع الحراري ، ومقاومة التآكل الممتازة ، فإن كربيد السيليكون (SIC) له تطبيقات تتجاوز استخدامها التقليدي كخطبة. على سبيل المثال ، يمكن تطبيق مسحوق SIC على الأسطح الداخلية لمدافع التوربينات أو بطانات الأسطوانات عبر عمليات خاصة لتعزيز مقاومة التآكل وتوسيع عمر الخدمة بمقدار واحد إلى مرتين. المواد الحرارية عالية الجودة المصنوعة من SIC تظهر مقاومة صدمة حرارية ممتازة ، وخفض الحجم ، والوزن الأخف ، والقوة الميكانيكية العالية ، مما يؤدي إلى فوائد كبيرة لتوفير الطاقة.
يعمل كربيد السيليكون منخفض الدرجة (الذي يحتوي على حوالي 85 ٪ من SIC) كمدرج ممتاز في صناعة الصلب ، وتسريع عملية الصهر ، وتسهيل التحكم في التكوين الكيميائي ، وتحسين جودة الصلب الكلية. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم SIC على نطاق واسع في تصنيع عناصر تسخين كربيد السيليكون (قضبان SIC).
كربيد السيليكون هو مادة صلبة للغاية ، مع صلابة MOHS تبلغ 9.5 - الماس فقط إلى الماس (10). لها موصلية حرارية ممتازة وهي أشباه الموصلات مع مقاومة الأكسدة المتميزة في درجات حرارة مرتفعة.
ⅱ. مزايا أجهزة كربيد السيليكون
يعد Cilicon Carbide (SIC) حاليًا أكثر مواد أشباه الموصلات الناضجة الناضجة (WBG) قيد التطوير. تركز البلدان في جميع أنحاء العالم بشكل كبير على أبحاث SIC واستثمرت موارد كبيرة لتعزيز تقدمها.
أنشأت الولايات المتحدة وأوروبا واليابان وغيرها استراتيجيات تنمية على المستوى الوطني لـ SIC. كما استثمر اللاعبون الرئيسيون في صناعة الإلكترونيات العالمية بكثافة في تطوير أجهزة أشباه الموصلات.
بالمقارنة مع الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون ، تقدم المكونات القائمة على SIC المزايا التالية:
1. القدرة على الجهد العالي
أجهزة كربيد السيليكون تحمل الفولتية تصل إلى 10 مرات أكبر من أجهزة السيليكون المكافئة. على سبيل المثال ، يمكن أن تدعم Diodes SIC Schottky الفولتية التي تصل إلى 2400 فولت. الترانزستورات الميدانية المستندة إلى SIC (FETS) العمل على عشرات الكيلوفات مع الحفاظ على مقاومة على الحالة القابلة للإدارة.
2. أداء التردد العالي
(تفاصيل محددة غير متوفرة في النص الأصلي ، ولكن يمكن استكمالها إذا لزم الأمر.)
3. تشغيل درجة الحرارة العالية
مع اقتراب أجهزة SI التقليدية من حدود أدائها النظرية ، يُنظر إلى أجهزة الطاقة SIC على أنها مرشحين مثاليين بسبب جهدها العالي ، وخسائر التبديل المنخفضة ، والكفاءة الفائقة.
ومع ذلك ، فإن التبني الواسع لأجهزة الطاقة SIC يعتمد على التوازن بين الأداء والتكلفة ، وكذلك القدرة على تلبية المتطلبات المرتفعة لعمليات التصنيع المتقدمة.
في الوقت الحاضر ، انتقلت أجهزة SIC منخفضة الطاقة من البحوث المختبرية إلى الإنتاج التجاري. ومع ذلك ، لا تزال رقائق SIC مكلفة نسبيًا وتعاني من كثافة عيب أعلى مقارنة بمواد أشباه الموصلات التقليدية.
ⅲ. أجهزة SIC MOS الأكثر مشاهدة على نطاق واسع
1. كذا MOSFET
يعد SIC-MOSFET (الترانزستور الميداني للترانزستور الآثار المعدني للمعادن السيليكون) هو الجهاز الإلكتروني الأكثر بحثًا بشكل مكثف داخل نظام مواد SIC. لقد حققت اختراقات بارزة من قبل الشركات الرائدة مثل Cree (USA) و Rohm (اليابان).
في بنية SIC-MOSFET نموذجية ، يتم تشكيل كل من منطقة مصدر N+ و P-WELL باستخدام غرس الأيونات ، تليها الصلب في درجات حرارة عالية (~ 1700 درجة مئوية) لتنشيط المنشطات. واحدة من العمليات الحرجة في تصنيع SIC-MOSFET هي تكوين طبقة أكسيد البوابة. بالنظر إلى أن كربيد السيليكون يتكون من ذرات SI و C ، يتطلب نمو عزلات البوابة تقنيات نمو أكسيد متخصصة.
هيكل الخندق مقابل الهيكل المستوي
بنية SIC-MOSFET من نوع الخندق تزيد من مزايا الأداء لمواد SIC على التصميمات المستوية التقليدية. يسمح هذا الهيكل بكثافة تيار أعلى ، وانخفاض المقاومة ، وتوزيع المجال الكهربائي الأفضل.
2. مزايا sic-mosfets
تعمل IGBTs السيليكون التقليدية عادة أقل من 20 كيلو هرتز. بسبب قيود المواد الجوهرية ، يصعب تحقيق تشغيل الجهد العالي وعالي التردد باستخدام الأجهزة القائمة على السيليكون.
في المقابل ، فإن MOSFETs مناسبة تمامًا لمجموعة واسعة من تطبيقات الجهد-من 600 فولت إلى أكثر من 10 كيلو فولت-وتظهر خصائص تبديل ممتازة كأجهزة أحادية القطب.
بالمقارنة مع IGBTs السيليكون ، تقدم sic-mosfets:
- تيار الذيل الصفر أثناء التبديل ،
- انخفاض خسائر التبديل ،
- تردد التشغيل أعلى بكثير.
على سبيل المثال ، يمكن أن تظهر وحدة 20 كيلو هرتز sic-mosfet نصف فقدان الطاقة لوحدة سليكون IGBT 3 كيلو هرتز. يمكن أن تحل وحدة 50 A SIC محل وحدة 150 A SI بشكل فعال ، مما يبرز الكفاءة ومزايا الأداء عالي التردد.
علاوة على ذلك ، فإن الصمام الثنائي في الجسم في SIC-MOSFETS لديه خصائص الاسترداد العكسي السريع ، ويتميز:
- وقت استرداد قصير للغاية (TRR) ،
- شحنة استرداد عكسية منخفضة جدا (QRR).
على سبيل المثال ، في نفس التيار والجهد المقنن (على سبيل المثال ، 900 فولت) ، فإن QRR من الصمام الثنائي في جسم SIC-MOSFET ليس سوى 5 ٪ من موسف MOSFET القائم على السيليكون. هذا مفيد بشكل خاص للدوائر من نوع الجسر (مثل محولات الرنين LLC التي تعمل فوق الرنين) ، كما هو:
- يقلل من متطلبات الوقت الميت ،
- يقلل من الخسائر والضوضاء من استعادة الصمام الثنائي ،
- يتيح ارتفاع ترددات التبديل مع تحسين الكفاءة.
3. تطبيقات sic-mosfets
توضح وحدات SIC-MOSFET مزايا كبيرة في أنظمة الطاقة المتوسطة إلى العالية ، بما في ذلك:
- العزفات الكهروضوئية (PV) ،
- محولات طاقة الرياح ،
- السيارات الكهربائية (EVs) ،
- أنظمة جر السكك الحديدية.
بفضل سمات الجهد العالي ، والتردد العالي ، والسمات عالية الكفاءة ، تتيح أجهزة SIC اختراقات في تصميم توليد القوة EV ، حيث وصلت أجهزة السيليكون التقليدية إلى اختناقات الأداء.
تشمل الأمثلة البارزة:
- Denso و Toyota ، التي طورت بشكل مشترك وحدات التحكم في الطاقة (PCUS) للسيارات الكهربائية الهجينة (HEVS) والسيارات الكهربائية للبطارية (EVs) باستخدام وحدات SIC-MOSFET. حققت هذه الأنظمة انخفاضًا في الحجم 5x.
- Mitsubishi Electric ، الذي طور نظام محرك EV المستند إلى MOSFET مع محرك ومحرك متكامل بالكامل ، لتحقيق التصغير وتكامل النظام.
وفقًا للتوقعات ، كان من المتوقع أن ترى وحدات SIC-MOSFET اعتمادًا واسع النطاق في السيارات الكهربائية على مستوى العالم بين عامي 2018 و 2020 ، وهو الاتجاه الذي يستمر في النمو مع انخفاض التكنولوجيا وتراجع التكاليف.
ⅳ. ديودس سيليكون كربيد شوتكي (SIC SBD)
1. بنية الجهاز
تتبنى ثنائيات Silicon Carbide Schottky هيكل تقاطع Schottky (JBS) ، مما يقلل بشكل فعال من تيار التسرب العكسي ويحسن قدرة الحجب عالي الجهد. يجمع هذا الهيكل بين مزايا انخفاض الجهد المنخفض إلى الأمام وسرعة التبديل العالية.
2. مزايا الثنائيات Sic Schottky
كأجهزة أحادية القطب ، تقدم ثنائيات SIC Schottky خصائص استرداد عكسية متفوقة مقارنة بثنائيات الاسترداد السريع للسيليكون التقليدية (SI FRDS). عند التبديل من التوصيل الأمامي إلى الحظر العكسي ، تظهر الثنائيات المكتشفة:
- الحالي الاسترداد العكسي القريب من الصفر: عادة ما تكون أوقات الاسترداد العكسي أقل من 20ns ؛ على سبيل المثال ، يمكن لـ 600V/10A SIC SBD تحقيق أقل من 10ns.
- قدرة تردد التبديل العالية: يتيح التشغيل بترددات أعلى بكثير مع تحسين الكفاءة.
- معامل درجة الحرارة الإيجابية: تزداد المقاومة مع درجة الحرارة ، مما يجعل الأجهزة أكثر ملاءمة للتشغيل الموازي وتعزيز سلامة النظام وموثوقيته.
- أداء التبديل المستقر عبر درجات الحرارة: تظل خصائص التبديل متسقة تحت الضغط الحراري.
- الحد الأدنى من خسائر التبديل: مثالية للتطبيقات عالية الكفاءة.
3. التطبيقات
تستخدم ثنائيات Sic Schottky على نطاق واسع في التطبيقات المتوسطة إلى العالية ، مثل:
- تبديل إمدادات الطاقة (SMPs)
- دوائر تصحيح عامل الطاقة (PFC)
- إمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS)
- العولات الكهروضوئية وأنظمة الطاقة المتجددة
يتيح استبدال Si FRDs التقليدية بـ SIC SBDs في دوائر PFC التشغيل بترددات تزيد عن 300 كيلو هرتز مع الحفاظ على الكفاءة. في المقابل ، تعاني SI FRDS من انخفاض كبير في الكفاءة تتجاوز 100 كيلو هرتز. تعمل عملية التردد الأعلى أيضًا على تقليل حجم المكونات السلبية مثل المحاثات ، مما يقلل من حجم ثنائي الفينيل متعدد الكلور بأكثر من 30 ٪.
ⅴ. كيف يتم اعتبار كربيد السيليكون (SIC)؟
يتم التعرف على كربيد السيليكون على نطاق واسع باعتباره مادة أشباه الموصلات واسعة النطاق على نطاق واسع وممثل رائد للجيل الثالث من أشباه الموصلات. تم الإشادة بخصائصها المادية والكهربائية المتميزة:
1. تفوق المواد
- خلاف واسع النطاق (3.09 فولت): 2.8 مرة أوسع من السيليكون ، مما يتيح فولتية انهيار أعلى.
- حقل كهربائي عالي الانهيار (3.2 mV/cm): 5.3 مرات أعلى من السيليكون ، مما يتيح طبقات الانجراف الأرق.
- الموصلية الحرارية العالية (4.9 واط/سم · ك): 3.3 مرات أعلى من السيليكون ، مما يسهل تبديد حرارة أفضل.
- مقاومة الإشعاع القوية وكثافة الناقل العالية: مناسبة للبيئات القصوى.
2. الأداء الكهربائي
تقدم أجهزة SIC أداءً محسّنًا بشكل كبير مقارنة بنظراء السيليكون:
- يمكن أن تكون منطقة الانجراف ترتيبًا أرق من حجم السيليكون لنفس تصنيف الجهد.
- يمكن أن تكون تركيزات المنشطات تصل إلى طلبين من حيث الحجم أعلى.
- على مقاومة لكل وحدة مساحة تصل إلى 100 مرة.
- يتم تقليل توليد الحرارة بشكل كبير ، مما يساهم في انخفاض الخسائر في التوصيل والتبديل.
- عادة ما تكون ترددات التشغيل أكثر من 10 مرات من أجهزة السيليكون.
- يمكن أن تعمل أجهزة SIC في درجات حرارة تصل إلى 400 درجة مئوية وقادرة على التعامل مع التيارات والفولتية العالية في الحزم المدمجة.
جعلت التطورات الأخيرة من الممكن إنتاج IGBTs المستندة إلى SIC وأجهزة الطاقة الأخرى مع أقل بكثير من المقاومة وتوليد الحرارة. هذه الخصائص تجعل SIC مادة مثالية للإلكترونيات الطاقة من الجيل التالي.
ⅵ. حالة التطوير الحالية لأجهزة كربيد السيليكون (SIC)
1. المعلمات الفنية
على سبيل المثال ، زادت تقييمات الجهد من الثنائيات Schottky من 250 فولت إلى أكثر من 1000 فولت ، في حين انخفضت منطقة الرقائق. ومع ذلك ، فإن التصنيف الحالي لا يزال على بعد بضع عشرات من amperes. تحسنت درجات حرارة التشغيل إلى 180 درجة مئوية ، والتي لا تزال بعيدة عن الحد الأقصى النظري البالغ 600 درجة مئوية. إن انخفاض الجهد الأمامي أيضًا أقل من المثالي - القابل للاستغناء عن أجهزة السيليكون - مع بعض الثنائيات التي تظهر الجهد الأمامي تصل إلى 2 فولت.
2. سعر السوق
أجهزة SIC تقريبًا5 إلى 6 مرات أكثر تكلفةمن الأجهزة المعادلة على السيليكون.
ⅶ. التحديات في تطوير أجهزة SIC
استنادًا إلى التقارير المختلفة ، لا تكمن التحديات الرئيسية في مبدأ الجهاز أو التصميم الهيكلي ، والتي يمكن حلها عمومًا ، ولكن في عملية التصنيع. فيما يلي بعض المشكلات الرئيسية:
1. العيوب المجهرية في رقائق كذا
العيب الرئيسي هو micropipe ، وهو مرئي حتى للعين المجردة. إلى أن يتم القضاء على هذه العيوب بالكامل في نمو البلورة ، من الصعب استخدام SIC للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة. في حين أن رقائق الجودة عالية الجودة قد قللت من كثافة micropipe إلى أقل من 15 سم ² ، فإن التطبيقات الصناعية تتطلب رقائق تزيد قطرها 100 ملم مع كثافات micropipe أقل من 0.5 سم ².
2. كفاءة منخفضة للنمو الفوقي
عادة ما يتم تنفيذ homoepitaxy sic عبر ترسب البخار الكيميائي (CVD) في درجات حرارة تزيد عن 1500 درجة مئوية. بسبب مشاكل التسامي ، لا يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة 1800 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات النمو. في حين أن epitaxy المرحلة السائلة يسمح بدرجات حرارة منخفضة ومعدلات نمو أعلى ، يظل العائد منخفضًا.
3. التحديات في عمليات المنشطات
المنشطات الانتشار التقليدية ليست مناسبة لـ SIC نظرًا لدرجة حرارة الانتشار العالية ، مما يضعف قدرة إخفاء طبقة SIO₂ واستقرار SIC نفسه. مطلوب زرع أيون ، وخاصة بالنسبة إلى المنشطات من النوع P باستخدام الألومنيوم.
ومع ذلك ، فإن أيونات الألومنيوم تسبب أضرارًا كبيرة في الشبكة وسوء التنشيط ، مما يتطلب زرع في درجات حرارة ركيزة مرتفعة تليها الصلب عالي الحرارة. هذا يمكن أن يؤدي إلى تحلل السطح ، تسامي ذرة SI ، وغيرها من القضايا. لا يزال تحسين اختيار Dopant ، ودرجات حرارة الصلب ، ومعلمات العملية مستمرة.
4. صعوبة في تكوين جهات اتصال أوميك
يعد إنشاء جهات اتصال Ohmic مع مقاومة التلامس أقل من 10 ⁻⁵ ω · سم مربع أمرًا بالغ الأهمية. في حين يتم استخدام NI و Al عادة ، إلا أنهما يعانون من ثبات حراري ضعيف فوق 100 درجة مئوية. يمكن للأقطاب المركبة مثل AL/Ni/W/Au تحسين الاستقرار الحراري حتى 600 درجة مئوية لمدة 100 ساعة ، ولكن تظل مقاومة التلامس عالية (~ 10⁻⁻ Ω · سم مربع) ، مما يجعل من الصعب تحقيق الاتصالات الأومية الموثوقة.
5. مقاومة الحرارة للمواد المساعدة
على الرغم من أن رقائق SIC يمكن أن تعمل عند 600 درجة مئوية ، إلا أن المواد الداعمة مثل الأقطاب الكهربائية واللحام والحزم والعزل غالباً ما لا يمكنها تحمل مثل هذه درجات الحرارة المرتفعة ، مما يحد من أداء النظام الكلي.
ملاحظة: هذه مجرد أمثلة محددة. لا تزال العديد من تحديات التصنيع الأخرى - مثل حفر الخندق ، وتخميل إنهاء الحافة ، وموثوقية واجهة أكسيد البوابة في MOSFETs SIC - تفتقر إلى الحلول المثالية. لم تصل الصناعة بعد إلى توافق في الآراء بشأن العديد من هذه القضايا ، مما يعيق بشكل كبير التطور السريع لأجهزة الطاقة SIC.
ⅷ. لماذا لم يتم اعتماد أجهزة SIC على نطاق واسع بعد
تم الاعتراف بمزايا أجهزة SIC في وقت مبكر من الستينيات. ومع ذلك ، تأخر التبني الواسع النطاق بسبب العديد من التحديات التقنية ، وخاصة في التصنيع. حتى اليوم ، لا يزال التطبيق الصناعي الأساسي لـ SIC بمثابة كاشطة (Carborundum).
لا يذوب SIC تحت ضغط يمكن التحكم فيه ولكنه يتسامي عند حوالي 2500 درجة مئوية ، مما يعني أن نمو البلورة السائبة يجب أن يبدأ من مرحلة البخار ، وهي عملية أكثر تعقيدًا من نمو السيليكون (يذوب SI عند حوالي 1400 درجة مئوية). واحدة من أكبر العقبات التي تحول دون النجاح التجاري هي الافتقار إلى ركائز SIC المناسبة لأجهزة أشباه الموصلات السلطة.
بالنسبة للسيليكون ، تتوفر ركائز الكريستال الواحدة (العرقات) بسهولة وهي الأساس للإنتاج على نطاق واسع. على الرغم من أنه تم تطوير طريقة لتنمية ركائز SIC الكبيرة (طريقة LELY المعدلة) في أواخر السبعينيات ، إلا أن هذه الركائز عانت من عيوب micropipe.
يمكن أن يدمر micropipe واحد اختراق تقاطع PN عالي الجهد قدرته على الحجب. في السنوات الثلاث الماضية ، انخفضت كثافة micropipe من عشرات الآلاف لكل مم مربع إلى عشرات لكل مم مربع. ونتيجة لذلك ، تقتصر أحجام الأجهزة على بضعة مم فقط مربع ، مع الحد الأقصى لتيارات المصنفة من بضعة أمبير فقط.
تعد المزيد من التحسينات في جودة الركيزة ضرورية قبل أن تصبح أجهزة الطاقة SIC قابلة للحياة من الناحية التجارية.
ⅸ. التقدم في رقاقة كذا وكثافة micropipe
تُظهر التطورات الحديثة أن SIC للأجهزة الإلكترونية البصرية قد وصلت إلى جودة مقبولة ، مع عائد الإنتاج والموثوقية لم يعد يعوقها عيوب المواد. بالنسبة للأجهزة أحادية القطب عالية التردد مثل MOSFETs و Schottky الثنائيات ، تكون كثافة micropipe تحت السيطرة في الغالب ، على الرغم من أنها لا تزال تؤثر قليلاً على العائد.
بالنسبة للأجهزة عالية الجهد ، لا تزال مواد SIC تحتاج إلى عامين آخرين من التطوير لزيادة الحد من كثافة العيوب. على الرغم من التحديات الحالية ، لا شك أن SIC هي واحدة من أكثر مواد أشباه الموصلات الواعدة للقرن الحادي والعشرين.
ⅹ. المنتجات ذات الصلة